DE4326265A1 - Testgasdetektor, vorzugsweise für Lecksuchgeräte, sowie Verfahren zum Betrieb eines Testgasdetektors dieser Art - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Testgasdetektor, vorzugs­ weise für Lecksuchgeräte, mit einem selektiven, bevorzugt für Testgas durchlässigen Einlaßsystem und mit einem das Vorhanden­ sein von Testgas registrierenden Gerät. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Testgas­ detektors dieser Art.

Bei der hochempfindlichen Lecksuche kommt als Testgas im wesentlichen nur Helium in Frage. Im weiteren Text wird deshalb überwiegend auf Helium als Testgas Bezug genommen.

Bei Heliumlecksuchgeräten werden üblicherweise auf die Masse des Heliums eingestellte Massenspektrometer als Detektoren verwendet. Zum Betrieb eines Massenspektrometers ist ein Hochvakuumpumpsystem (Hochvakuumpumpe, Vorpumpe usw.) erfor­ derlich, mit dessen Hilfe außerdem das bei einer positiven Prüfung in das Massenspektrometer eingetretene Helium entfernt wird (vgl. zum Beispiel die DE-A-34 21 533).

Aus der EU-A-352 371 ist ein Heliumleckdetektor der hier betroffenen Art bekannt. Als Vakuumpumpe wird eine Ionengetterpumpe verwendet. Selbst relativ kleine Ionengetter­ pumpen sind schwer und deshalb unhandlich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufwand für die Vakuumerzeugung bei Testgasdetektoren, insbe­ sondere Heliumdetektoren für Lecksuchgeräte, maßgeblich zu reduzieren.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Testgasdetektor der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß das Testgasre­ gistriergerät ein gasaufzehrendes Vakuummeter umfaßt. Eine gasaufzehrende Eigenschaft haben beispielsweise Ionisationsva­ kuummeter, vorzugsweise Kaltkathoden-Ionisationsvakuummeter. Vakuummeter dieser Art haben für Helium nur ein relativ ge­ ringes Saugvermögen. Gelangt deshalb Helium durch den Einlaß des Testgasdetektors in das Vakuummeter, so macht sich dieses durch einen Druckanstieg bemerkbar. Die Druckanstiegsrate ist ein Maß für die Höhe des Heliumpartialdrucks und damit - beim Einsatz eines Detektors dieser Art bei der Lecksuche - ein Maß für die Leckrate.

Der besondere Vorteil der Erfindung liegt darin, daß aufwendige Evakuierungssysteme für den Testgasdetektor nicht mehr erfor­ derlich sind. Da das Ionisationsvakuummeter selbst eine gasauf­ zehrende Wirkung hat, ist es in der Lage, das Betriebsvakuum im Meßraum aufrechtzuerhalten. Zusätzlich kann sich im Meßraum noch ein Getterstoff befinden, der die Pumpwirkung des Vakuum­ meters unterstützt.

Zweckmäßig hat der Getterstoff die Eigenschaft, alle Gase - bis auf das Testgas - zu pumpen. Ein Getterstoff dieser Art ist beispielsweise SAES getters Type ST707. Die Empfindlichkeit der Messungen wird durch einen Getterstoff dieser Art nicht beein­ trächtigt.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein unzulässig hoher, die Lebensdauer des Testgasdetektors begrenzender Druckanstieg im Meßraum nicht zu befürchten ist. Zum einen pumpt das Ionisationsvakuummeter in einem geringen Male ebenfalls das in den Meßraum gelangende Helium; zum anderen besteht die Möglichkeit, in den Meßraum gelangtes Helium über den Gaseinlaß wieder zu entfernen. Dazu wird beispielsweise während des Standby - Betriebs vor dem offenen selektiven Einlaßsystem ein Vakuum mit niedrigem Heliumpar­ tialdruck erzeugt und aufrechterhalten. Dadurch diffundiert im Meßraum befindliches Helium durch den selektiven Einlaß zurück in die Pumpleitung.

Das vom Vakuummeter abgegebene Stromsignal wird zweckmäßig einem hochempfindlichen Strom-/Spannungswandler zugeführt. Dieser ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhafter­ weise als Differenzierstufe ausgebildet, deren Verstärkung mit steigender Frequenz zunimmt. Ein Druckanstieg führt bei einer derartigen Differenzierungsstufe zu einem konstanten Ausgangs­ signal, das proportional zur Leckrate ist.

Als selektiver Einlaß dienen Trennwände aus Festkörper, deren Durchlässigkeit für Helium um viele Dekaden über der Durchläs­ sigkeit für andere Gase liegt. Dies können z. B. Quarzglas, Si sein, die gegebenenfalls durch ein Sintemetall abgestützt werden. Durch Heizen erhöht sich die Durchlässigkeit für Helium um mehrere Dekaden. Auch Polymermembranen, beispielsweise FEP, mit selektiven Eigenschaften können eingesetzt werden. Bei den Polymeren handelt es sich um eine Werkstoffklasse, die in Handbüchern ausführlich beschrieben ist. Aufgrund der zu jedem Werkstoff dieser Klasse angegebenen Permeationseigenschaften vermag der Fachmann jeweils einen Membranwerkstoff auszuwählen, der die gewünschten selektiven Eigenschaften hat. Die jeweils gewünschte selektive Eigenschaft - z. B. der bevorzugte Durchlaß von Testgas - sollte möglichst ausgeprägt vorhanden sein, damit die gewünschte Wirkung - Unterdrückung von anderen Gasen, Verunreinigungen usw. - möglichst gut erreicht wird.

Ein Detektorsystem mit einer im Einlaßbereich befindlichen heizbaren Quarzglasscheibe wird zweckmäßig derart betrieben, daß nach einem für die Bildung eines Meßsignals ausreichenden Heliumdurchtritt durch die Quarzglasscheibe die Heizung abge­ schaltet wird. Dadurch kann vermieden werden, daß unnötig viel Helium in das Detektorsystem gelangt. Außerdem wird eine sehr kurze Erholzeit erzielt. Noch in die Quarzglasscheibe hinein diffundiertes Helium diffundiert nach der erneuten Einschaltung der Heizung wieder zurück zur Pumpleitung.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Lecksuchgerätes mit einem Testgasdetektor nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Beispiel für ein selektives Einlaßsystem und ein Ionisationsvakuummeter und

Fig. 3 einen Lecksucher nach Fig. 1 mit einer dem Testgasdetektor vorgelagerten Kohlenwasserstoffsperre.

Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 und 3 ist der Einlaß des schematisch dargestellten Lecksuchers mit 1 be­ zeichnet. Dieser Einlaß 1 wird mit einem Testobjekt oder einer Testkammer verbunden. Die sich an den Einlaß 1 anschließende Leitung 2 mit dem Ventil 3 führt zu einer Vakuumpumpe 4, mit deren Hilfe das zu prüfende Gas am Testgasdetektor 5 vorbeige­ fördert wird. Auch die eventuell notwendige Evakuierung eines Prüflings oder einer Testkammer kann mit Hilfe der Vakuumpumpe 4 durchgeführt werden.

Bestandteil des Einlaßsystems 6 des Testgasdetektors 5 ist eine Membran oder Scheibe 7, die im wesentlichen nur für Testgas durchlässig ist. Diese Eigenschaften haben z. B. Polymer-Mem­ branen oder beheizte dünne Quarzglasscheiben (vgl. EU-A 352371).

Befindet sich im Einlaßsystem 6 eine Polymer-Membran, dann ist zweckmäßig noch ein Ventil 10 vorgesehen, mit dem der Testde­ tektor 5 von der Leitung 3 trennbar ist. Umfaßt das Einlaßsystem 6 eine Quarzglasschicht, dann besteht die Mög­ lichkeit, durch Ein- und Ausschalten einer Heizung die Verbin­ dung des Testgasdetektors 5 mit der Leitung 3 herzustellen oder abzusperren.

Der in Strömungsrichtung hinter der Membran bzw. Scheibe 7 liegende Raum ist unmittelbar mit dem Innenraum des Ionisati­ onsvakuummeters 8 verbunden und wird im weiteren als Meßraum 9 bezeichnet. An das Ionisationsvakuummmeter 8 schließt sich die Signalverarbeitung 11 an. Sie ist lediglich als Block mit einem Verstärkersymbol dargestellt.

An den Meßraum 9 angeschlossen ist noch ein Behälter 12 einem Getterstoff 13, der die Pumpwirkung des gasaufzehrenden Vaku­ ummeters 8 unterstützt.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein selektives Einlaßsystem 6. Es umfaßt eine aus Quarzglas bestehende Scheibe oder Schicht 7, die sich auf einem scheibenförmigen Träger 15 aus Sintermetall abstützt. Besonders zweckmäßig ist es, das Quarzglas auf die poröse Sintermetallscheibe aufzudampfen. Dadurch können gleichmäßige Quarzglasschichten erzeugt werden, die zusammen mit ihrem Träger robust und deshalb einfach handhabbar sind.

Mittels einer Heizung (Heizdrähte 16) ist die Sintermetall­ scheibe und damit die Quarzglasschicht 7 beheizbar. Der Quarz­ schicht 7 unmittelbar vorgelagert ist das Ionisationsvakuum­ meter 8, so daß der den Innenraum des Vakuummeters umfassende Meßraum 9 möglichst klein ist. Im Meßraum 9 befindet sich der Getterstoff 13.

Ist das mittels der Vakuumpumpe 4 am Testgasdetektor 5 vorbei­ geförderte Gas nicht frei von Öl- oder ähnlichen Dämpfen, dann ist es zweckmäßig, dem Einlaßsystem 6 eine Kohlenwasserstoff­ sperre 17 vorzulagern. Diese kann als Kühlfalle oder - wie in Fig. 3 dargestellt - als Turbomolekularpumpenstufe ausgebildet sein. Die relativ schweren Kohlenwasserstoffmoleküle gelangen dann nicht zum Einlaßsystem 6. Verschmutzungen des Einlaßsy­ stems 6 - z. B. verursacht durch Cracken der Ölmoleküle im Bereich der beheizten Quarzglasschicht - treten nicht auf.

Vor der ersten Inbetriebnahme des erfindungsgemäßen Testgasde­ tektors 5 wird der Meßraum 9 zweckmäßig mit Hilfe einer sepa­ raten Vakuumpumpe evakuiert. Danach ist er in der Lage, sein Betriebsvakuum aufrechtzuerhalten.

Strömt Helium durch die Leitung 2 am Einlaßsystem 6 vorbei, dann gelangt bei offenem Ventil 10 bzw. bei beheizter Quarz­ glasschicht 7 ein Teil des Heliums in den Meßraum 9. Die dadurch bewirkte Druckerhöhung wird zum Ionisationsvakuummeter 8 registriert und mit Hilfe der Meßwertverarbeitung 11 ange­ zeigt. Ein Anstieg des Heliumpartialdruckes wird von einem differenzierenden Verstärker zu einem konstanten Ausgangs­ signal verarbeitet, das proportional zur Leckrate ist. Soweit des Vakuummeter 8 selbst in der Lage ist, Helium zu pumpen, wird nach und nach der Heliumpartialdruck wieder kleiner. Um zu vermeiden, daß unnötig viel Helium in den Meßraum 9 gelangt, ist es zweckmäßig, nach dem Registrieren eines Heliumsignals den Testgasdetektor 5 von der Leitung 2 zu trennen.

Darüberhinaus besteht die Möglichkeit, in der Leitung 2 bei geschlossenem Ventil 3 ein Vakuum zu erzeugen und die Verbin­ dung zwischen dem Testgasdetektor 5 und der Leitung 2 - durch Öffnen des Ventils 10 oder durch Beheizen der Quarzglasschicht - herzustellen. Da der Heliumpartialdruck in der Leitung 2 kleiner ist als 10^-9 mbar, strömt Helium aus dem Meßraum des Testgasdetektors 5 durch das Einlaßsystem 6 zurück, so lange dort der Heliumpartialdruck höher ist. Der Testgasdetektor 5 kann somit - z. B. während des Standby-Betriebs "regeneriert" werden.

Claims (15)

1. Testgasdetektor, vorzugsweise für Lecksuchgeräte, mit einem selektiven, bevorzugt für Testgas durchlässigen Einlaßsystem (6) und mit einem das Vorhandensein von Testgas registrierenden Gerät (5), dadurch gekennzeichnet, daß das Testgasregistriergerät (5) ein gasaufzehrendes Vakuummeter (8) umfaßt.

2. Testgasdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gasaufzehrende Vakuummeter (8) ein Ionisations­ vakuummeter, vorzugsweise ein Kaltkathodenionisationsva­ kuummeter, ist.

3. Testgasdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der sich an das selektive Einlaßsystem (6, 7) anschließende, den Innenraum des Vakuummeters (8) einschließende Meßraum (9) möglichst klein ist.

4. Testgasdetektor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich im Vakuummeter (8) bzw. im Meßraum (9) ein Getterstoff befindet.

5. Testgasdetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Getterstoff die Eigenschaft hat, alle Gase - bis auf das Testgas - zu pumpen.

6. Testgasdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Bestandteil des selektiven Einlaßsy­ stems (6) eine Quarzglasschicht (7) ist, die auf einem aus gesintertem Werkstoff bestehenden Träger aufgebracht, vorzugsweise aufgedampft, ist.

7. Testgasdetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger heizbar ist.

8. Testgasdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Bestandteil des selektiven Einlaßsy­ stems (6) eine Polymermembran ist.

9. Testgasdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Einlaßsystem (6) eine Kohlenwas­ serstoffsperre vorgelagert ist.

10. Testgasdetektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenwasserstoffsperre als Kühlfalle oder als Reibungspumpe, vorzugsweise Turbomolekularvakuumpumpe, ausgebildet ist.

11. Testgasdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verarbeitung der vom Ionisationsvakuummeter (8) gelieferten Signale ein hoch empfindlicher Strom/Spannungswandler, vorzugsweise ein differenzierender Verstärker, vorgesehen ist.

12. Verfahren zum Betrieb eines Testgasdetektors mit einem selektiven Einlaßsystem (6) und mit einem das Vorhanden­ sein von Testgas registrierenden Gerät (5), dadurch gekennzeichnet, daß bereits nach dem Durchtritt einer für die Bildung eines Meßsignales ausreichenden Testgasmenge das Einlaßsystem abgesperrt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12 mit einem eine heizbare Quarz­ schicht umfassenden selektiven Einlaßsystem (6), dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Durchtritt einer für die Bildung eines Meßsignales ausreichenden Testgasmenge das Einlaßsystem (6) durch Abschalten der Heizung abgesperrt wird.

14. Verfahren zum Betrieb eines Testgasdetektors mit einem selektiven Einlaßsystem (6) und einem dem selektiven Einlaßsystem vorgelagerten, evakuierbaren Raum, dadurch gekennzeichnet, daß während der Zeitabschnitte, in denen nicht gemessen wird, im Raum vor dem Einlaß (6) ein Vakuum erzeugt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14 mit einem eine heizbare Quarz­ schicht umfassenden selektiven Einlaßsystem (6, 7), dadurch gekennzeichnet, daß während der Erzeugung des Vakuums im vor dem Einlaß (6) gelegenen Raum die Quarz­ schicht beheizt wird.